手型识别的手功能康复动作快速规划研究

目的:解决现有手部康复机器人柔顺性、安全性不足和对手势信息采集困难等问题,研发基于视觉的方法进行手型识别,并借助识别结果来用于手部康复训练。方法:本文基于MediaPipe模型来进行手部关键点跟踪和手势识别;在康复手套结构上选择了柔性穿戴式。通过计算机视觉的方法得到手势信息,将信息通过串口传递给单片机,由单片机控制气阀的通断,以此来控制康复手套的运动。结果:基于MediaPipe的静态手势识别实验准确率可以达到93.71%,并且通过手势识别和康复训练实验可以得出基于计算机视觉的手势识别方法性能稳定,康复训练手套能够根据识别出来的手势信息做出相应的动作,对患手进行康复训练。结论:基于视觉示教的手部康复训练机器人可以实现手部康复训练,视觉示教降低了成本,增加了便携性;柔性穿戴式手套增加了安全性和柔顺性。

速度场与意图角双重变导纳主动康复训练策略研究

针对主动康复训练中出现训练懈怠、控制器和训练表现表征指标复杂、训练任务不能动态调整的问题,提出基于速度场与意图角的双重变导纳控制策略。在期望轨迹周围设计速度场后基于双曲正切函数将患者主动力映射到导纳参数中,设计变导纳控制器。只有患者施加主动力时,导纳控制才能输出机器人运动的驱动力,迫使患者主动参与。将末端交互力矢量与速度矢量的夹角定义为意图角,利用位于[0,π/2)内意图角出现的时间在单次训练时间中的占比γ表征患者的主动控制能力。训练中,根据上一轮的γ来修改导纳参数的上限值,从而改变训练任务的难易程度。在控制策略下进行了6轮训练,结果表明:提出的主动训练策略能够在患者施加主动力的情况下实现三维轨迹允许误差范围内的无时序跟踪训练;根据设计的表征指标,导纳参数可以从1100变为1200再变到1100,单轮的训练时间从45.6 s变为31.82 s再变回46.9 s,期间患者输出的主动力总和从892.2 N变为694.4 N再变到1014 N。训练策略可以根据表征指标来判断患者的主动训练能力并调整训练任务,可用于主动康复训练。

上肢康复训练轨迹定制优化及柔顺跟踪控制

卒中后早期的被动康复训练可以促进患者脑神经重塑甚至重获肢体运动能力。多数上肢康复机器人中,只将参数化规则曲线作为被动训练的轨迹,没能融合康复医师的经验及患者的个体特征,缺乏3维个性轨迹的光滑优化;此外,训练过程中的安全柔顺交互的问题未得到解决。针对以上问题,本文基于新型末端牵引式3自由度上肢康复机器人开展轨迹个性化定制优化以及跟踪控制研究。首先,在笛卡尔空间应用导纳算法及力补偿策略实现理疗师对轨迹的定制。然后,用道格拉斯–普克法压缩原始轨迹数据得到型值点,保留初始轨迹的拓扑形状。接下来,用非均匀有理B样条曲线(non-uniform rational b–spline,NURBS)进行插值,并融合动态切换概率和t变异改进蝴蝶优化算法(butterfly optimization algorithm,BOA)优化拟合的轨迹。最后,设计基于径向基(radial basis function,RBF)神经网络的滑模自适应以及速度前馈加比例–积分–微分(proportional–integral–derivative,PID)的控制策略实现末端轨迹跟踪,并增加导纳–阻抗控制形成基于力阈值的多模式柔顺跟踪控制,保证人机交互力较大时患者的安全。结果表明:定制机器人末端轨迹的拖动力在5 N以内;改进的BOA算法具有更高的收敛速度和精度,优化的轨迹曲率和更小;轨迹跟踪控制策略可以将跟踪误差控制在6 mm内;模式切换在0.3 s内响应,能顺应较大交互力,从而提高训练的安全性。

基于健肢刚度估计的康复机器人交互控制研究

针对康复训练过程中机器人与患者之间的人机交互性问题,文中基于患者健肢刚度估计及映射的思想,提出一种具有个性化治疗特征的人机交互控制方法。基于健肢表面肌电信号和人机接触力信息,建立具有患者自身完成日常动作特征的上肢末端刚度估计模型。设计刚度映射算法,根据健肢末端刚度动态调整机器人阻抗控制参数,结合人机接触力反馈,实现康复训练机器人与患肢交互的柔顺控制。研究结果表明:所提出的人机交互控制方法通过模拟患者健肢运动特性的康复训练机器人带动患肢,使得康复训练动作更加符合个人发力习惯,也有利于双侧肢体的运动一致性,可为临床的康复训练提供设计思路和实现方法。

螺丝锁付装置取放料时间寻优轨迹规划

为提高螺丝锁付装置的锁付效率,课题组针对锁付过程中最频繁的取放料操作进行时间寻优轨迹规划。课题组以旋量理论建立运动学模型,基于运动合成的思想,采用多段六次多项式插值算法进行规划轨迹,并结合改进粒子群算法得到时间插值节点的优化解。仿真实验结果表明:采用改进粒子群算法,在迭代约40次时算法达到收敛,轨迹所需时间相对于优化前缩短了约30%;关节空间下各关节的位置、速度和加速度曲线连续平滑,无明显突变,末端笛卡尔空间下轨迹满足取放料轨迹的设计要求。该时间最优轨迹规划的方法有效提高了螺丝锁付装置的工作效率。

散乱堆叠药盒三维视觉抓取系统设计

针对药物生产线上药品分拣、包装等繁重的工作任务,设计了基于三维视觉的散乱堆叠药盒抓取系统。根据药盒点云数据均为特征均匀的矩形或方形平面这一特征,基于点云预处理与区域生长算法设计了堆叠药盒场景点云的分割算法,并提出了通过计算药盒上表面点云质心以及质心点表面法线获取药盒位姿的方法。实验结果表明:系统能够准确地完成场景点云分割,准确地获取位姿信息,精度高,鲁棒性好,适用于散乱堆叠药盒的抓取。

基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究

针对老龄化社会对于康复和看护助力搬运的需要,提出了用气压驱动器实现轻量、柔性助力、穿戴舒适的可穿戴式腰部助力机器人.机器人采用无外骨骼的结构设计,可以给护理人员在提升重物和静态保持作业时输出腰部所需助力,降低下腰痛(Low back pain,LBP)致病风险.通过对重物搬运作业中穿戴者竖脊肌表面肌电信号(Surface electromyography,s EMG)评估、基于测力平台最大搬举重量测试、静态弯腰负重作业下人体重心(Center of gravity,COG)移动轨迹等相关实验,验证了助力有效性.

卧式下肢康复机器人训练模式设计与轨迹规划

针对脑卒中等原因引起的下肢运动功能障碍患者日益增多,本文设计了一种卧式下肢康复机器人。通过对该机器人的结构、运动学和髋、膝、踝关节运动范围的分析,结合现代康复理论,设计了多种康复训练模式;在机器人末端结构上采用柔性关节的设计,保证了康复训练的柔顺性;运用S型轨迹规划原理与所设计的康复训练模式相结合,在Simulink上对机器人髋膝双关节和髋膝踝多关节运动轨迹进行了仿真分析;最后通过设计空中蹬自行车模式的实验验证了卧式康复机器人结构的合理性以及康复训练模式的科学性。

深度视觉手势识别协作机械臂物体抓取系统

为了提高手势识别的准确率以及机械臂抓取过程中控制手爪的夹持方向,实现对机械臂的灵活控制,研发基于深度视觉的手势识别模块。本文采用深度学习模型YOLOv4对手势识别进行研究。针对YOLOv4模型存在的输出内容单一,无法控制手爪抓取过程中夹持方向的问题,对YOLOv4算法的模型进行改进,将3个特征层的输出(32,24,75),(16,12,75),(8,6,75)增加到(32,24,87),(16,12,87),(8,6,87),增加2个手势关键点信息(x,y)的输出,通过这2个手势关键点的位置信息判断手势的水平方向,实现抓取过程中控制手爪的朝向,从而实现机械臂的灵活控制。实验表明,通过改进YOLOv4算法可以实现实时手势图像的精确识别以及机械臂的灵活控制。

步态康复训练机器人行走步态仿真研究

步态康复训练机器人是对下肢行走障碍患者进行步态康复训练的一种助力康复设备,其行走步态的研究对于控制方案的制定有着重要意义。本文作者提出了步态康复训练机器人总体结构设计方案,利用Matlab/Simulink仿真环境下的机构系统模块集(SimMechanics)建立了步态康复训练机器人系统的仿真模型,并将斯坦福OpenSim下肢肌肉骨骼模型得到的下肢关节运动数据作为设定输入对机器人进行了运动仿真分析和研究,为下一步机器人样机制作和实际控制奠定了理论基础。

现代气动技术课程教学模式改革与实践

现代工业自动化领域中,气动技术发展已成为一门集各学科为一体的综合自动化控制技术,在智能装备、自动化生产线领域发挥着重要作用。为了加强对学生工程实践能力的培养,在现代气动技术课程教学中分别从教学内容、教学方法、考核方法三方面进行了思考和探索。

新工科背景下专业导论课程项目制教学改革与实践

新工科背景下,专业课程教学对于学生工程实践能力的培养提出新的要求。以专业导论课程为例,对教学模式和考核方式进行改革,通过项目制的工程实践训练,开启专业实践的启蒙教育,能够加深学生对所学专业和职业发展前景的了解,明确努力方向,培养学生创新精神和协作能力。

基于数据手套的气动灵巧手控制系统设计

设计的气动人工肌肉驱动的灵巧手控制系统,由数据手套完成远端到临近点的主从控制,由分布式二级控制系统完成临近点到接触点的自主控制。两种控制方式相融合,既提高了抓取效率,又保证了抓取的柔性,对灵巧手的智能控制方法的研究有一定的参考价值。

步态康复训练机器人人机交互信息感知系统

针对步态康复训练机器人与患者实时交互的需求,研发了获取人机接触力信息的感知系统。利用拉格朗日法建立包含人体主动力的下肢外骨骼机器人动力学模型,并分析患者下肢运动动作意图,为步态康复训练交互控制提供判断依据。在步态康复训练机器人样机系统上进行了静态、动态测量实验及被动/主动康复训练测量实验,结果表明该感知系统能够满足人机接触力的检测精度要求,能在康复训练中获取人体运动意图,这为步态康复训练机器人的智能交互控制策略研究奠定了基础。

步态康复机器人动力学李群李代数建模及仿真

结合刚性支撑与柔性驱动设计气压驱动步态康复机器人,为探究机器人和患者构成的人机共融系统动力学特性,基于李群李代数理论建立了不同步态相下人体步行动力学模型、机器人和人机系统动力学模型,对被动、主动助力、主动抗阻3种不同康复训练模式中的驱动特性和能量特性进行了分析。仿真求解出机器人关节驱动力矩、人体关节主动力矩,验证了李群李代数法建模的正确性及动力学模型的有效性,为驱动控制系统构建及交互控制策略设计提供理论参考依据。

新时代研究生系统建模与响应课程教学改革探索与实践

对标新时代研究生教育改革对人才培养提出的新要求,结合系统建模与响应课程的综合性、学科交叉性特点,以多学科融合工程应用为目标开展教学改革。通过对教学内容的重塑和递进探究式教学方法设计,从知识创新与实践创新的角度提升课程知识点的高阶性和挑战度。课程的教学改革有效提高了研究生的科研创新能力,为机械类研究生培养和相关专业的教学改革提供了参考。

改进的分水岭算法在粘连图像分割中的应用

在多目标图像分割中,经常会出现由于目标图像粘连度分布不均而影响图像分割精度的情况。通过研究标记分水岭算法,提出一种结合形态学运算和距离变换的改进的分水岭分割方法。该算法在处理粘连程度高的目标图像时,能够将粘连图像精确地分割出来。实验结果表明,将该算法应用到农产品的混合水果和医药领域药盒的无序分拣中,能够高效地解决粘连图像过分割的问题,且分割效率很高。

工业机器人机械系统设计教学要点分析

为了满足企业在转型升级、快速发展背景下对机器人技术人才日益增加的需求,针对工业机器人机械系统设计教学存在的问题,以工业机器人机械系统的典型传动链分析为例,对机械系统设计的教学要点进行归纳总结,以便于学生理解与掌握机械系统设计的核心知识点以及学习过程中存在的抽象、不易理解的问题,这有助于提高课程的教学质量。

三维空间末端牵引上肢康复机器人轨迹规划研究

目的:为了解决现有康复机器人结构复杂、柔顺性和安全性不足、作业治疗中三维空间训练欠缺等问题,提出三维空间末端牵引式上肢康复训练机器人。方法:通过对上肢康复机器人的结构、运动学理论和人体上肢运动范围分析,建立人机交互的安全空间;结合康复医学中的作业疗法,进行康复动作设计及末端轨迹规划,运用Matlab对机器人末端运动轨迹进行仿真分析,并通过实验验证设计的合理性及可行性。结果:通过仿真分析和实验结果可以看出机器人末端轨迹及各关节速度和加速度曲线平滑,无跳动现象。结论:三维空间末端牵引式上肢康复机器人可以实现二维和三维空间的康复训练,用气压比例伺服控制实现末端直线位移,增加了康复训练的柔顺性和安全性,更好满足康复医学中作业疗法的要求。

基于虚拟现实的下肢主动康复训练系统

针对传统下肢康复训练中病人参与度低、主动运动意图逐渐丧失的问题,设计一种基于虚拟现实的下肢主动康复训练系统。该系统采用惯性检测单元(IMU)获取并解算下肢关节活动度,作为虚拟场景中的运动控制信号,并建立无线蓝牙通信机制,把患者下肢运动与运动功能康复训练游戏结合在一起。基于鞋内置多点足底力传感器(FSR)获取患肢足底力参数,识别步态相周期,作为康复评估的数据基础。实验验证了康复数据获取的准确性、交互通信的实时性与康复场景运行的流畅性。